一個名叫傑克的九歲男孩，一頭淺棕色的蓬鬆頭髮隨著他瘋狂敲擊鍵盤的動作而搖晃。傑克的眼睛緊盯著一個有六根指標的時鐘，這些指標分別表示月、日、時、分、秒和秒的 60 分之一。他一輸入 10:28:2:14:56:32，一個新的時鐘就出現了，他又敲出另一組數字。一位名叫馬蒂的和藹可親的 14 歲學生剛剛教我了這個練習，我猜我可以在幾分鐘內解決其中一個時鐘。傑克每七秒鐘就能完成一個。
在這間由八歲和九歲孩子組成的小教室裡，幾乎只有傑克不停的敲擊聲。其他人都默默地工作。一兩個孩子戴著眼罩，在方格紙上抄寫符號。一個黑髮女孩戴著耳機聽著單詞列表，她必須記住這些單詞並複述給老師。一個男孩盯著諾曼·洛克威爾的畫作；他的任務是提取畫作的主旨並寫下來。
傑克穿著一件藍色校服 T 恤，袖子上露出長長的紅色袖子，上面印著“EAS”的首字母縮寫，他幾乎不停地破解時鐘密碼 35 分鐘。和伊頓-阿羅斯米斯學校的其他學生一樣，傑克在這所位於溫哥華不列顛哥倫比亞大學校園內一棟建築二樓的針對學習障礙的私立學校上學，他參加六節大腦鍛鍊課，其中包括閱讀時鐘、抄寫符號、描摹複雜設計、記憶圖案和進行心算。傑克有一節英語課和一節數學課，但他其他的課都不像普通學校裡的課。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
阿羅斯米斯學校的學生不學習政府部門或文學流派。他們的時間專門用於加強注意力、記憶力和推理等心理過程。幾十年來，心理學家一直認為這些基本的思維能力是固定的。在研究界，越來越多的證據表明，它們可能並非如此。
阿羅斯米斯課程是強化課程，要求學生每天投入 80% 的時間，持續三到四年進行大腦修復，然後才能重返正規學校。儘管該校吹噓有很多成功案例，但對其療法有效性的支援主要來自軼事。儘管如此，在科學、臨床甚至主流教育界，對兒童進行這種大腦健身的承諾正在積聚力量。
近年來，神經科學和心理學實驗室湧現出少量大腦訓練方法，其中幾種現在正在市場上銷售。有些訓練工作記憶（短期記憶），這是一種與智力相關的心理白板。另一些則針對基本的數字感，用於數學，或聲音感知，用於閱讀。還有一種訓練推理能力。
在許多情況下，這些工具的目標是學習障礙，如閱讀障礙、計算障礙或注意力缺陷多動障礙 (ADHD)。但一些教育工作者開始向普通學生群體提供大腦訓練。“我認為這項技術使為每個人提供個性化的訓練和學習成為可能，”麻省理工學院的心理學家艾莉森·P·麥基說。“即使表現相當不錯的孩子也可能存在弱點，如果你彌補了這一點，他們就會表現得更好。”
兒童可以透過心理鍛鍊在多大程度上克服智力缺陷或提高智商，這在很大程度上是未知的。儘管資料表明訓練可能有用，但它並非總是有效。此外，研究人員現在才開始探索他們在思維技能方面測得的進步是否能轉化為學業成就。
儘管如此，許多科學家和教育工作者現在相信，藉助適當的工具，學生可以提高他們的智力能力——這個想法可能會改變生活。“問題是：作為人類，我們有什麼能力？”伊頓-阿羅斯米斯學校的創始人、學習障礙專家霍華德·伊頓問道。他說，人們可以從根本上改變他們的大腦的觀念，“改變了你對人類可能性的整體看法。”
學習的槓桿
當然，學校長期以來都基於大腦是靈活的前提：學習新資訊和技能涉及到神經層面的變化。然而，人們一直認為一個人的學習能力是相當穩定的。這種能力的一部分在於執行功能，這是一組由位於前額後方的稱為前額葉皮層的結構控制的能力。這些能力是工作記憶、認知靈活性——尋找解決問題的替代方案以及從一個想法或行動轉移到另一個想法或行動的能力——以及自我調節，即抑制競爭或不適當行動的能力。
傳統上，學校的設計目的不是改變執行功能，通常也不是為了調整基本的數學能力或聽語言的能力。它沒有做這些事情，部分原因是人們認為大腦的這些基本功能是不可移動的。
然而，環境可以對智力能力產生強大影響，這已不是什麼秘密。例如，貧困等壓力環境實際上可以關閉執行功能[參見“治療學習毒素”，作者：克蘭西·布萊爾；《大眾科學·心靈》，2012 年 9 月/10 月]。兒童的社會經濟階層也會強烈影響閱讀的基礎語言技能。“對於四歲或五歲的孩子來說，來自低社會經濟階層的孩子和來自高社會經濟階層的孩子之間的語言接觸差異可能高達 3000 萬個單詞，”加利福尼亞州奧克蘭市科學學習公司的首席科學官、神經科學家威廉·M·詹金斯說。
鑑於此，量身定製的輔導可以提高兒童的學習潛力的概念就不那麼難以理解了。近年來，研究人員設計了旨在促進自我調節的課程，自我調節是學業成功以及社交和情感成熟必不可少的技能[參見“性格教育”，作者：英格麗·威克格倫；《大眾科學·心靈》，2012 年 9 月/10 月]。與此同時，其他科學家開始設計更直接針對個體兒童智力能力的干預措施。
智力的一個關鍵槓桿是工作記憶。各種認知技能都依賴於這個心理草稿紙。特別是注意力，需要精神上注意重要資訊。“如果你不能在頭腦中保持一個計劃，你就會分心，”斯德哥爾摩卡羅林斯卡研究所的認知神經科學家托克爾·克林伯格說。
1997 年，克林伯格正在研究工作記憶的神經基礎，當時他看到一篇論文，表明患有 ADHD 的孩子通常工作記憶容量有限。儘管工作記憶被廣泛認為是靜態特徵，但克林伯格對其可塑性非常樂觀。“我把它想象成一塊可以訓練的肌肉，”他回憶道。
考慮到注意力缺陷，克林伯格和他的同事建立了用於回憶位置（如購物中心的路線）以及口頭資訊的鍛鍊方法。在某些練習中，使用者嘗試重現一系列紅色燈泡或小行星亮起的順序。與所有好的訓練計劃一樣，這些計劃會適應孩子：隨著她的表現提高，遊戲會變得更難。在更高的級別，小行星會移動，或者燈光網格會在玩家必須回憶順序之前旋轉。一項口頭任務需要記住一系列數字並反向重複。
在克林伯格團隊 2005 年發表的一項研究中，22 名 7 至 12 歲的嚴重注意力問題的孩子每天玩這些遊戲 35 至 40 分鐘，持續 25 天。在工作記憶的標準評估中，這些孩子比 22 名使用相同遊戲的簡單版本的 ADHD 孩子有了顯著提高。此外，受訓青少年的父母表示，他們的孩子變得更加專注。基於這些結果，克林伯格創立了一家名為 Cogmed 的公司，該公司現已歸教育公司培生所有，以銷售該軟體。
此後，科學家們獲得了更多支援這些遊戲作為 ADHD 療法的證據。2010 年，俄亥俄州立大學的心理學家威廉·B·本寧格和他的同事發現，在家中進行訓練的 ADHD 兒童和青少年比那些不鍛鍊記憶力的孩子更專注、更有條理，並且症狀更少，他們的父母說。2012 年，加州大學戴維斯分校醫學院的心理學家朱莉·B·施韋策和她的同事報告說，在 12 名 ADHD 兒童做作業時，訓練顯著減少了“分心”行為——也就是說，目光從工作表上移開，這是衡量注意力的一種更真實的方法。
工作記憶可能對整體學習產生深遠影響。在工作記憶測試中得分在人口中最差的 10% 的兒童中，超過五分之四的孩子在閱讀或數學或兩者方面都有相當大的問題。從對 345 名 8 至 11 歲兒童的測試中，英國約克大學的心理學家達倫·L·鄧寧和他的同事確定了 42 名工作記憶能力處於最差的 15% 的兒童。他們將其中 22 人分配到為期五到七週的強化校內 Cogmed 訓練；其他人則接受了不太費力的專案版本。到教學結束時，進行更強化鍛鍊的孩子在工作記憶的各個方面都表現出大幅提升，而其他孩子只獲得了極小的進步。此外，六個月後，接受過真正訓練的孩子在數學推理標準化測試中的得分明顯高於試驗開始時，這表明他們利用訓練有素的大腦學習了更多數學知識。
擺脫困境
學業成功的另一個關鍵組成部分是推理，即在新的情況下進行邏輯思考、聯絡想法和解決問題的能力。推理是一種更高階的技能，它依賴於工作記憶和注意力等執行功能。傑克如此熟練地解決的時鐘謎題應該透過培養孩子對時鐘上不同指標之間關係等關係的理解來訓練推理能力。
幾年前，當時在加州大學伯克利分校攻讀心理學研究生的麻省理工學院的麥基想看看她是否可以提高弱勢兒童的推理能力。麥基與她的同事、心理學家西爾維婭·A·邦格合作，選擇了嚴重依賴推理的電腦和商業棋盤遊戲。在一款名為“交通堵塞”的棋盤遊戲中，玩家需要弄清楚如何在遵守交通規則的情況下讓汽車逃離交通堵塞。其他遊戲則依賴於邏輯或整合不同的資訊片段。他們要求來自加利福尼亞州奧克蘭市一個高貧困社群的小學的 17 名 7 至 10 歲的學生每週兩天、每天一小時玩這些遊戲，持續八週。另外 11 名學生玩的是考驗處理速度的遊戲——他們能多快理解資訊。
玩推理遊戲的孩子在推理能力標準測試中的得分躍升了 30% 以上——他們的智商平均提高了 10 分。玩處理速度練習遊戲的學生在該能力測試中的排名提高了 30%。麥基說：“我們真的對收益如此之大感到驚訝。”
她現在正試圖在更大規模的面臨學校失敗風險的孩子樣本中重現她的結果，並確定訓練是否會轉化為學業成就的提高。麥基說：“如果我們能證明這些型別的遊戲可以帶來更好的考試成績，我們就向前邁進了一大步。”
五個點還是六個點？
計算機化訓練計劃也可以增強基本的數學能力。心算在很大程度上依賴於工作記憶，我們用它來保持和處理數字。阿羅斯米斯的一項練習包括將一個小數字新增到下一個數字，因為數字按順序出現，保持執行總數，並在最後報告總和。
其他程式訓練數字感，這是一種基本的數量感，使我們能夠立即比較，例如，兩個不同陣列中的點數，或加減點數。科學家們已將這種感覺與大腦中的一個位置聯絡起來：表面上一個狹窄的凹陷，稱為頂內溝。如果沒有良好的數字感，孩子們將會在數學方面遇到困難，並可能患上計算障礙，這是一種影響大約 7% 人口的數學學習障礙。例如，一個患有計算障礙的九歲孩子可能會將五個點與六個點混淆，或者無法說出 50 是大於還是小於 100。
幾年前，法國國家健康與醫學研究所的神經科學家斯坦尼斯拉斯·迪漢恩和他的同事建立了一個名為“數字競賽”的線上遊戲，玩家在其中比較點數，並將它們與數字符號聯絡起來，並學習一些基本的加法和減法事實。2006 年，研究人員報告說，15 名 7 至 9 歲的計算障礙兒童在玩“數字競賽”後，在比較數字、快速視覺評估數量和減去一位數方面有所進步。
三年後，研究人員在更小的、有數學困難風險的兒童身上測試了該軟體：53 名來自低社會經濟背景的法國幼兒園兒童。一些孩子玩了六次 20 分鐘的“數字競賽”，而另一些孩子則使用了市售的閱讀程式，之後孩子們交換了任務。“數字競賽”而不是閱讀軟體提高了孩子們比較以符號表示的數字的能力，這表明該程式提高了將數字符號與數量聯絡起來的能力。此後，該團隊開發了一款更高階的遊戲“數字捕捉器”，該遊戲練習基本的計算技能，並以不同的方式表示數字。
Lumosity 是一家總部位於舊金山的公司，提供一套針對各種能力的腦力訓練遊戲，包括幾種與數學相關的遊戲。其中一個遊戲涉及出現在雨滴中的算術題，必須在雨滴濺入螢幕底部的水中之前解決。在另一個遊戲中，使用者比較成對出現的數學表示式的值。第三個練習解決問題的能力。玩家推斷單詞或物體分類背後的規則——例如“藍色”或“動物”。
這些練習已顯示出提高先天學習障礙兒童數學能力的前景。在 2011 年的一項初步研究中，斯坦福大學的精神病學家雪莉·R·凱斯勒和她的同事發現，每天玩這些遊戲 20 分鐘，持續六週，可以減輕 16 名患有稱為特納綜合徵的遺傳疾病的女孩的典型數學相關缺陷。訓練後，女孩們在數字感、處理速度和認知靈活性測試中的得分明顯更高。她們對數學事實和計算能力的掌握也有所提高，但程度較小。
讀出聲音
與數學一樣，閱讀涉及一套複雜的智力能力，包括推理和執行技能。閱讀障礙是一種閱讀障礙，大腦難以識別和處理單詞，影響了 5% 到 17% 的兒童。在 20 世紀 90 年代初期，羅格斯大學的神經科學家寶拉·圖拉爾假設，在許多情況下，其根本原因是聽覺，具體而言，是檢測相似聲音（如“da”和“ba”）的快速變化方面的缺陷。她認為，這些困難阻礙了兒童獲得良好的語言技能，從而導致閱讀障礙。
1996 年，圖拉爾和神經科學家邁克爾·默澤尼奇（現為加州大學舊金山分校的名譽教授）創立了 Scientific Learning 公司，旨在開發計算機軟體來糾正患有閱讀困難的兒童的聽覺處理問題。詹金斯說，該程式名為 Fast ForWord Language，透過首先放慢語速並強調語音中某些快速變化的部分來幫助兒童聽到和區分音素。然後，它逐漸加快速度並減弱強調。該軟體還會變形聲音，根據孩子的熟練程度，使它們或多或少相似。
幾項小型研究表明，該程式很有幫助。2007 年，哈佛醫學院的神經科學家納丁·加布與圖拉爾以及其他同事一起報告說，22 名患有閱讀障礙的兒童每天使用該程式 20 分鐘，每週五天，持續八週，他們的語言和閱讀技能顯著提高。他們還在這些孩子身上看到了負責處理快速變化聲音的大腦回路的啟用增加。在 2008 年的一項調查中，俄勒岡大學的神經科學家海倫·J·內維爾和她的同事發現證據表明，Fast ForWord Language 提高了有和沒有語言障礙的兒童對聽覺刺激的注意力。孩子們在語言理解方面也取得了進步。
並非所有研究都支援 Fast ForWord 的功效。在 2011 年對六項大型研究進行的薈萃分析（定量回顧）中，約克大學的心理學家查爾斯·赫爾姆和他的同事得出結論，該程式對兒童的語言或閱讀困難幾乎沒有影響。混合的結果可能反映了軟體測試方式的差異，包括成人監控其使用情況以及激勵兒童參與其中的程度。畢竟，因挫敗感或厭倦而停止使用該程式的孩子不太可能受益。此外，並非所有患有閱讀障礙的兒童都患有聽覺問題。事實上，最新版本的 Fast ForWord 練習執行功能，以及對閱讀能力至關重要的其他技能。這些練習可能會比原始程式覆蓋更廣泛的學生群體。
玩遊戲以獲得智商
目前大多數學生腦力訓練計劃主要針對那些患有可診斷缺陷的人。例如，美國數百所採用 Cogmed 軟體的學校通常會為患有注意力缺陷和其他學習障礙的學生提供該軟體。美國和加拿大的 500 多家診所也使用 Cogmed，主要用於 ADHD 患者。
然而，這些專案也正在滲透到主流教育中。儘管 Fast ForWord 專為有閱讀問題的孩子設計，但超過 3000 所擁有該軟體的學校中的許多學校都將其作為常規教學的一部分。到目前為止，全球 325 多所學校的 12,000 名學生透過 Lumosity 教育訪問計劃 (LEAP) 玩過一套腦力遊戲，超過四分之一的 Lumosity.com 線上使用者年齡在 21 歲以下。紐約市至少有一所私立教會學校已向五年級和六年級的孩子提供 Cogmed 軟體。“這不僅限於有學習困難的學生，”曾任教師、現任 LEAP 經理的妮可·F·吳說。“它適用於想要提高認知能力的健康學生。”
一些資料暗示，腦力訓練可能使普通學習者受益。在吳和她的同事進行的一項未發表的研究中，43 所學校的 949 名 6 至 18 歲的學生在一個學期內總共玩了平均 6 小時的 28 款 Lumosity 遊戲。這些青少年在一系列神經心理學測試中的得分明顯高於 443 名未進行鍛鍊的學生。吳說，學生訓練時間越長，他們在記憶力、處理速度和推理等技能方面的進步就越大。訓練時間至少達到 10 小時的學生看到了可衡量的益處。她現在正在領導一項針對 100 所學校的研究，以確定認知益處是否轉化為更好的成績和考試分數。
在其他研究中，密歇根大學的心理學家約翰·喬尼德斯和他的同事透過他們自己的工作記憶療法提高了典型的小學和初中兒童的智商分數，但該方法並非總是產生預期的改進[參見“構建更好的大腦”，作者：約翰·喬尼德斯、蘇珊娜·M·賈吉、馬丁·佈施庫爾和普里蒂·沙阿；《大眾科學·心靈》，2012 年 9 月/10 月]。因此，訓練可能對環境敏感。
在來到伊頓-阿羅斯米斯學校之前，馬蒂在普通學校苦苦掙扎。“我經常熬夜重讀和理解，”她去年告訴我。“我最終哭了，因為家庭作業讓我感到不知所措。”馬蒂後來從該課程畢業，她九年級 12 月的成績單上全是 A。學校官員掌握著許多像馬蒂一樣受到課程幫助的兒童的資料。
外部科學家通常覺得阿羅斯米斯方法很有趣，但表示它缺乏嚴格的科學支援。“我看到一個孩子在電腦上做數學比我做得還快，”不列顛哥倫比亞大學的發育認知神經科學家阿黛爾·戴蒙德說。但是，她警告說，“我想看到它有幫助的資料。”事實上，不列顛哥倫比亞大學教育心理學家琳達·西格爾領導的對該校課程進行的一項為期八個月的小型調查未能表明該課程顯著提高了學生在一系列認知和成就測試中的得分。
然而，科學越來越多地表明，大腦比我們曾經認為的要靈活得多。最終，教育界可能會認為，資料支援在兒童的常規學業中至少增加一點腦力健身。儘管沒有人確切知道這種訓練會採取什麼形式，但定期讓兒童的腦力肌肉進行鍛鍊可能會帶來持久的益處。麥基說：“我設想認知技能的提高將比現在更多地成為教育的一部分。”